Замислите сат који откуцава толико равномјерно да не губи ни секунду, чак ни након милијарду година. Научници су сада ближе него икада овој тачности у мјерењу времена, показује ново истраживање.
Такав уређај би далеко надмашио могућности атомских сатова, који дефинишу секунде путем контролисаних скокова енергије у електронима атома и тренутно представљају врхунац прецизности у мјерењу времена. У атомским сатовима, сигнали који побуђују атоме осцилују на фреквенцији од милијарду пута у секунди, пише Си Ен Ен.
Истраживачи су недавно развили технику која би могла повећати ову тачност покретањем и мерењем осцилација у још сложенијој мети – језгру атома.
Научници су користили ултраљубичасто свјетло за побуђивање нуклеарних честица у атому торијума-229 уграђеног у чврсти кристал. Затим су измјерили фреквенцију енергетских импулса који утичу на језгро – еквивалент клатну у обичном сату – бројећи таласе у УВ сигналу помоћу алата названог оптички фреквенцијски чешаљ.
.webp)
Побуђивање енергетских скокова у језгру захтијева много вишу фреквенцију сигнала него што је потребно за атомске сатове. Са више циклуса таласа у секунди, очекује се да ће овај приступ омогућити прецизније мјерење времена.
Откриће које би могло промијенити све
Иако је њихов нуклеарни сат још увијек у развоју, могао би трансформисати не само мјерење времена већ и проучавање физике, као и утицати на начин на који научници истражују структуру свемира. Прототип је већ сада прецизан као атомски сат, а очекује се да ће будуће верзије бити још тачније и стабилније, према истраживању објављеном 4. септембра у часопису "Нејчур".
"Пошто су истраживачи показали да је могуће произвести и измјерити те сигнале, постоји много ствари које можемо унаприједити како бисмо додатно побољшали прецизност", рекао је главни аутор студије Чуанкун Џанг, студент на ЈИЛА – истраживачком центру који финансирају Универзитет Колорадо Боулдер и Национални институт за стандарде и технологију.
На примјер, прилагођавања би могла укључивати подешавање фреквенција ласера који циљају језгро.
"Овај рад заиста означава почетак ере нуклеарног сата", рекла је др Олга Кочаровскаја, професор физике на Универзитету А&М у Тексасу, која није била укључена у истраживање.
Кочаровскаја и други истраживачи тестирали су 2023. године језгра атома скандијума-45 као могуће кандидате за нуклеарни сат. У то вријеме, ти атоми су произвели најјачу енергетску транзицију – и мјерљив импулс – икада виђену у језгру, али нови резултати торијума-229 генерисали су јачи сигнал и били су стабилнији, истиче Кочаровскаја.
"Нема сумње да је такав сат изводљив и да ће ускоро бити направљен", тврди она.
Атомски сатови
У атомским сатовима електрони атома су изложени електромагнетном зрачењу на одређеним фреквенцијама. Енергетски импулси побуђују електроне, гурајући их у вишу орбиту око атома. Осцилације које покрећу прелазе електрона између стања обиљежавају проток времена.
Поузданост атомских сатова далеко надмашује свакодневне сатове који мјере секунде путем вибрација кварцних кристала, који су склони губитку синхронизације. Деценијама су атомски сатови коришћени у ГПС технологијама, истраживању свемира и мјерењу међународног времена.
Међутим, атомски сатови су такође осјетљиви на губитак синхронизације. Електромагнетне сметње могу пореметити побуђене електроне и утицати на прецизност мјерења времена.
Честице у језгри атома, са друге стране, теже је пореметити од електрона. Протони и неутрони чврсто су повезани снажном нуклеарном силом – најјачом од свих фундаменталних сила. Таласне дужине које могу индуковати прелаз језгра осцилују на вишим фреквенцијама, омогућавајући прецизнија мјерења времена.
Прије ове студије било је неколико важних открића у развоју нуклеарних сатова. Прво откриће десило се 1976. године.
Показало се да језгро торијума има "јединствено ниску енергију" и да се може побудити коришћењем вакуумског ултраљубичастог (ВУВ) ласерског свјетла. До 2003. године, научници су сматрали да би изотоп торијума-229 био добар кандидат за нуклеарне сатове јер торијум захтијева мање енергије за побуђивање језгра од већине других врста атома.
"Наш рад се надовезује на то. Успјели смо да побудимо нуклеарни прелаз и разне прелазне енергије", рекао је Џанг, додајући да су резултати били око милион пута прецизнији од претходних мјерења.
Проучавање физике могло би да доживи револуцију
Прецизност и стабилност атомских сатова већ су научницима дали важне алате за проучавање земљотреса, гравитационих поља и простор-времена. Та поља би могла добити "огроман подстицај" захваљујући нуклеарним сатовима, тврди Кочаровскаја.
Нуклеарни сатови би били не само прецизнији, већ и једноставнији и преносивији, јер, за разлику од атомских сатова, не би захтијевали услове високог вакуума, екстремно хлађење и моћну заштиту од магнетских и електричних сметњи.
Проучавање физике могло би да доживи револуцију употребом нуклеарних сатова заједно са атомским, сматра Џанг. Праћење и поређење односа фреквенција двије врсте сатова током времена могло би помоћи научницима да утврде да ли су фундаменталне физичке константе заиста константне, или се мијењају на нивоима који су раније били премали за мјерење.
Ова техника "упарених сатова" могла би промијенити проучавање тамне материје, мистериозне супстанце која чини 80% свемира, али никада није директно измјерена.
Неки научници сугеришу да тамна материја интерагује са честицама као што су електрони, кваркови и глуони, али у количинама које тренутно нису детектабилне.
"Желимо да видимо да ли тамна материја може комуницирати са атомском језгром на нешто другачији начин у поређењу са електронском орбитом у атому. Ако се однос прелазне фреквенције нуклеарног и атомског сата мијења током времена, то би био показатељ нове физике", рекао је Џанг.
Иако предстоји много рада прије него што нуклеарни сатови надмаше атомске, ова открића сугеришу да такво вријеме није далеко.
"Како се буду развијали бољи УВ ласерски извори и ријешиле неке од мистерија и трикова нуклеарних сатова, очекујем да ће неки од експеримената које тренутно спроводимо у мојој лабораторији за тестирање релативности и тражење нове физике с атомским сатовима, умјесто тога бити извођени са нуклеарним сатовима", рекао је Шимон Колковиц, ванредни професор на Калифорнијском универзитету у Берклију.
